Конструирование и технология ЭВМ / КОНСТРУИРОВАНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ часть1

11

УСЛОВИЯ ЭКСПЛУАТАЦИИ И ТРЕБОВАНИЯ К ЭВА

План лекции:

1.Факторы, влияющие на работоспособность ЭВА

2.Влияние условий эксплуатации на работоспособность ЭВА

3.Требования, предъявляемые к конструкции ЭВА

4.Показатели качества конструкции ЭВА

ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА РАБОТОСПОСОБНОСТЬ ЭВА

Условия эксплуатации электронно-вычислительной аппаратуры имеют различную физико-химическую природу и изменяются в весьма широких пределах.

Факторы, воздействующие на работоспособность ЭВМ, разделяют на

климатические, механические и радиационные.

Кклиматическим факторам относят: изменение температуры и влажности окружающей среды; тепловой удар; увеличение или уменьшение атмосферного давления; наличие движущихся потоков пыли, песка; присутствие активных веществ в окружающей атмосфере; наличие солнечного облучения, грибковых образований (плесень), микроорганизмов, насекомых и грызунов; взрывоопасной и воспламеняющейся атмосферы, дождя или брызг; присутствие в окружающей среде озона.

Кмеханическим факторам относят: воздействие вибрации, ударов, линейного ускорения, акустического удара; наличие невесомости.

Крадиационным факторам относят: космическую радиацию; ядерную радиацию от реакторов, атомных двигателей; облучение потоком гамма-фотонов, быстрыми нейтронами, бета-частицами, альфачастицами, протонами, дейтронами.

Некоторые факторы могут проявлять себя независимо от остальных, а некоторые факторы — в совместном действии с другими факторами той или другой группы

(например, наличие движущихся потоков песка неизбежно приводит

квозникновению вибраций в конструктивных элементах ЭВМ).

ВЛИЯНИЕ УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ НА РАБОТОСПОСОБНОСТЬ ЭВА

Характер и интенсивность воздействия рассмотренных климатических (в меньшей степени), механических и радиационных (в большей степени) факторов зависят от тактики использования и объекта установки ЭВМ.

12

Классифицируя любую ЭВМ по этому признаку, можно разделить их на стационарные и транспортируемые. Каждая из групп, в свою очередь, включает в себя ЭВМ различных классов и назначения.

По совокупности значений климатических, механических и радиационных факторов стационарные и транспортируемые ЭВМ делятся на следующие группы:

группа 1 — стационарные ЭВМ и системы, работающие в отапливаемых наземных и подземных сооружениях;

группа 2 — стационарные ЭВМ и системы, работающие на открытом воздухе или в неотапливаемых наземных и подземных сооружениях;

группа 3 — транспортируемые (возимые), установленные в автомобилях, мотоциклах, в сельскохозяйственной, дорожной и строительной технике и работающие на ходу;

группа 4 — возимые, установленные во внутренних помещениях речных судов и работающие на ходу;

группа 5 — транспортируемые (возимые), установленные в подвижных железнодорожных объектах и работающие на ходу;

группа б — транспортируемые и портативные, предназначенные для длительной переноски людьми на открытом воздухе или в неотапливаемых наземных и подземных сооружениях; работающие и не работающие на ходу;

группа 7 — портативные, предназначенные для длительной переноски людьми на открытом воздухе или в отапливаемых наземных и подземных сооружениях, работающие на ходу.

Каждой из групп аппаратуры соответствует совокупность климатических и механических факторов, которой она должна соответствовать.

ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К КОНСТРУКЦИИ ЭВА

Вновь разрабатываемая ЭВМ должна отвечать тактико-тех-

ническим, конструктивно-технологическим, эксплуатационным, надежностным и экономическим требованиям.

Все эти требования взаимосвязаны, и оптимальное их удовлетворение представляет собой сложную инженерную задачу.

Тактико-технические требования.

Эти требования обычно содержатся в техническом задании на машину и включают в себя такие характеристики, как быстродействие,

объем оперативной, постоянной и внешней памяти, адресность

команд, разрядность машинного числа, точность выполнения операций и т. д.

В основном данные требования удовлетворяются на ранних этапах разработки ЭВМ, когда определяются состав машины, ее структура,

13

математическое обеспечение, основные требования к отдельным устройствам.

Конструктивно-технологические требования.

К этим требованиям относят: обеспечение функционально-узлового принципа построения конструкции ЭВМ, технологичность, минимальную номенклатуру комплектующих изделий, минимальные габариты и массу, предусмотрение мер защиты от воздействия климатических и механических факторов, ремонтоспособность.

Функционально-узловой принцип конструирования используется для машин третьего и последующего поколений. Он заключается в разбиении принципиальной схемы вычислительной машины на такие функционально законченные узлы, которые могут быть выполнены в виде идентичных конструктивно-технологических единиц.

Применение этого принципа конструирования позволяет автоматизировать процессы изготовления и контроля конструктивных единиц и упростить их сборку, наладку и ремонт.

Технологичность конструкции ЭВМ и системы в существенной степени определяется рациональным выбором ее структуры, которая должна быть разработана с учетом автономного, раздельного изготовления и наладки ее основных элементов, узлов, блоков. Конструкция ЭВМ тем более технологична, чем меньше доводочных и регулировочных операций приходится выполнять после ее окончательной сборки.

Понятие технологичности тесно связано с понятием экономичности воспроизведения в условиях производства. Наиболее технологичные конструкции, как правило, и наиболее экономичны не только с точки зрения затрат материальных ресурсов и рабочей силы, но и с точки зрения сокращения сроков освоения в производстве.

Втехнологичной конструкции максимально используются

взаимозаменяемость, регулируемость, контролепригодность,

инструментальная доступность элементов и узлов.

Втехнологичной конструкции должны максимально использоваться

унифицированные, нормализованные и стандартные детали и материалы. Машина считается также более технологичной, если в ней предусматривается минимальная номенклатура комплектующих изделий, материалов, полуфабрикатов.

Необходимость разработки новых материалов с улучшенными свойствами или новых технологических процессов определяется технико-экономическим эффектом их использования в данной ЭВМ.

Конструкция ЭВМ должна иметь минимальные габариты и массу, что особенно важно для бортовой аппаратуры, где ее объем и масса ограничиваются размерами и мощностью летательного аппарата.

14

В конструкции ЭВМ и системы необходимо предусматривать меры защиты от воздействия климатических и механических факторов,

состав и значение которых определяются объектом, где будет эксплуатироваться разрабатываемая ЭВМ.

Важная характеристика конструкции ЭВМ и системы — ремонтоспособность — качество конструкции к восстановлению работоспособности и поддержанию заданной долговечности.

Для повышения ремонтоспособности в конструкции ЭВМ предусматривают:

а) доступность ко всем конструктивным элементам для осмотра и замены без предварительного удаления других элементов;

б) наличие контрольных точек для подсоединения измерительной аппаратуры при настройке и контроле за работой машины;

в) применение быстросъемных фиксаторов и т. д.

Конструкция ЭВМ тем ремонтоспособнее, чем меньшую конструктивную единицу она позволяет оперативно заменять.

Эксплуатационные требования.

К эксплуатационным требованиям относят: простоту управления и обслуживания, предусмотрение различных мер сигнализации опасных режимов работы (выход из строя, открывание дверей шкафов, обрыв заземления и т. д.), наличие в комплекте машины аппаратуры, обеспечивающей профилактический контроль и наладку конструктивных элементов (стенды, имитаторы сигналов и т. д.). В последнее время развивается направление построения систем высокой надежности и живучести, имеющих в своем составе средства самодиагностики и автореконфигурации системы.

С эксплуатационными требованиями тесно связаны требования обеспечения нормальной работы оператора. Важна также такая организация органов управления ЭВМ, которая бы отвечала современным эргономическим требованиям и требованиям инженерной психологии.

Требования по надежности.

Данные требования включают в себя обеспечение:

1)вероятности безотказной работы,

2)наработки на отказ,

3)среднего времени восстановления работоспособности,

4)долговечности,

5)сохраняемости.

Вероятность безотказной работы ЭВМ есть вероятность того, что в заданном интервале времени при заданных режимах и условиях работы в машине не произойдет ни одного отказа.

Наработкой на отказ ЭВМ называют среднюю продолжительность ее работы между отказами.

15

Среднее время восстановления работоспособности ЭВМ

определяет среднее время на обнаружение и устранение одного отказа. Эта характеристика надежности является также важным эксплуатационным параметром.

Долговечностью ЭВМ называют продолжительность ее работы до полного износа с необходимыми перерывами для технического обслуживания и ремонта.

Под полным износом при этом понимают состояние машины, не позволяющее ее дальнейшую эксплуатацию.

Сохраняемость ЭВМ — ее способность сохранять все технические характеристики после заданного срока хранения и транспортирования в определенных условиях.

Экономические требования.

К экономическим требованиям относят:

1)минимально возможные затраты времени, труда и материальных средств на разработку, изготовление и эксплуатацию

ЭВМ;

2)минимальную стоимость машины после освоения ее в производстве.

Тесная связь предъявляемых к ЭВМ требований приводит к тому, что стремление максимально удовлетворить одному из них ведет к необходимости снизить значение других. Так, желание увеличить надежность ЭВМ введением структурной избыточности неизбежно влечет за собой увеличение габаритов, массы, мощности потребления, стоимости. В данном случае выходом служит дальнейшее повышение степени интеграции микросхем.

Точная связь между такими взаимно противоречивыми требованиями достаточно сложна и устанавливается статистическим анализом параметров разработанных и изготовляемых ЭВМ.

Соотношение между различными требованиями может быть установлено исходя из типа, назначения и характера эксплуатации проектируемой ЭВМ.

Для большой универсальной ЭВМ наиболее важное требование — обеспечение максимального быстродействия, поскольку оно в существенной степени определяет ее производительность; наименее важное требование — обеспечение небольших габаритов и массы.

Для управляющих (встраиваемых) ЭВМ наиболее важные требования

—высокая надежность и малая стоимость (при производстве большими сериями).

Настольные ЭВМ, рассчитываемые для массового потребления, должны прежде всего иметь малую стоимость. Достижение высокого быстродействия для этого класса машин — желательное, но не обязательное требование. Обычно стремятся достичь относительного

16

высокого быстродействия, доступного в определенной ценовой категории.

Бортовые ЭВМ, устанавливаемые на военные и гражданские объекты, должны обладать высокой степенью надежности. При этом стоимость машин в некоторых случаях не имеет существенного значения.

Применение ЭВМ в военной технике накладывает на их конструкцию дополнительные жесткие требования. Это связано с тем, что в условиях военных действий жизнь экипажа самолета, танка или корабля, а также успех целой операции могут зависеть от правильной, безотказной работы вычислительной аппаратуры.

Использование ЭВМ в ракетах стратегического и тактического назначения требует их постоянной готовности к работе во всех климатических зонах Земли и атмосфере.

О ремонте вычислительной аппаратуры в самолете, танке, управляемом снаряде, ракете, ИСЗ не может быть и речи; здесь должна быть обеспечена возможность быстрой замены вышедших из строя блоков запасными.

Поэтому основным требованием к ЭВМ, установленным на военном объекте, является надежность. Не менее важные требования— способность работать практически во всех известных условиях эксплуатации, ремонтоспособность, малые габариты, масса, мощность потребления. Следовательно, стоимость ЭВМ военного применения по сравнению с машиной с аналогичными характеристиками, используемой на гражданских объектах, выше.

ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА КОНСТРУКЦИИ ЭВА

Степень соответствия ЭВА предьявляемым требованиям может быть оценена на основе показателей качества конструкции ЭВА.

К таким показателям прежде всего следует отнести:

1. Сложность конструкции ЭВМ

где Nэ — число составляющих ЭВМ элементов; Мс—число соединений; k1, k2 и , k3— коэффициенты масштабный и весовые.

Выражение (1) связывает число составляющих ЭВМ элементов (микросхем, полупроводниковых приборов, пассивных компонентов, элементов коммутации) с числом разъемных и неразъемных соединений между ними, что определяет массу, габаритные размеры, надежность и другие общие параметры ЭВМ.

18

8. Собственная частота колебаний конструкции fo=[1/(2π)](kж/m)1/2 ,

где kж — коэффициент жесткости конструкции; m — масса конструкции, кг.

Эффективность защиты конструкции ЭВМ от вибраций и ударов оценивается:

для амортизированной аппаратуры — коэффициентами вибро- и удароизоляции;

для неамортизированной аппаратуры—коэффициентами динамичности на низких и высоких частотах внешних воздействий;

Для амортизированной аппаратуры следует как можно больше уменьшать собственную частоту, а для неамортизируемой, наоборот, увеличивать, приближая ее к верхней границе возмущающих воздействий или превышая ее.

9. Степень герметичности конструкции

Степень герметичности конструкции, определяемая истечением газа из определенного объема блока за известный отрезок времени,

D=V P/τ

где V— объем блока, дм3; P — избыточное давление газа в блоке, Па; τ—срок службы блока, с.

10. Вероятность безотказной работы ЭВМ

Вероятность безотказной работы ЭВМ — параметр, определяющий надежность ЭВМ.

Перечисленные показатели конструкции ЭВМ определяются в основном элементной базой, на которой строится машина.

19

СТАНДАРТИЗАЦИЯ РАЗРАБОТКИ ЭВА И ВЫПУСКА КОНСТРУКТОРСКОЙ ДОКУМЕНТАЦИИ. ПОНЯТИЕ О ЕДИНОЙ СИСТЕМЕ КОНСТРУКТОРСКОЙ ДОКУМЕНТАЦИИ (ЕСКД)

План лекции:

1.Стандартизация конструкций ЭВА

2.Единая система конструкторской документации (ЕСКД)

3.Общие термины в ЕСКД

СТАНДАРТИЗАЦИЯ КОНСТРУКЦИЙ ЭВА

Решение перечисленных выше задач удовлетворения различным требованиям к конструкции ЭВА в значительной степени упрощается применением стандартизации конструкций, этапов разработки и документации ЭВА.

Последовательность этапов разработки ЭВМ и стадий выпуска конструкторской документации определяется Государственными стандартами.

При разработке ЭВМ выпускают большое количество технической документации (конструкторской и технологической), состав которой также определяется Государственными стандартами.

Как известно, из нескольких вариантов конструкции, решающей одинаковые функции, оптимальным является только один, который и должен быть принят к разработке. Он используется в следующих разработках, пока не будет создан новый, более качественный вариант. Такой принцип положен в основу стандартизации и создает благоприятные условия для составляющих стандартизации -

преемственности, повторяемости, типизации и унификации

элементов конструкции.

Преемственность – это объем применения в новом изделии ранее разработанных и освоенных производством деталей и узлов.

Снижает сроки разработки конструкции и стоимость подготовки производства (за счет использования имеющегося инструмента).

Повторяемость – характеризуется числом одинаковых узлов и деталей в изделии.

Упрощается конструкция и стоимость ее изготовления.

Типизация – это процесс целесообразного сокращения многообразия конструкций за счет создания типовых широко применяемых деталей и узлов.

Наивысшая степень типизации – унификация.

20

Унификация – это процесс сокращения многообразия типовых деталей и узлов или изделий путем объединения их в группы по определенным признакам и функциям.

Унифицированные элементы конструкции позволяют создавать различные приборы и устройства на базе исходных моделей с минимальными затратами времени и средств.

Это осуществляется путем создания унифицированных рядов функциональных изделий, схожих по форме и отличающихся между собой параметрами, либо размерами. Эти ряды образуют соответственно параметрические и размерные ряды.

Параметрические ряды охватывают элементы с вариацией параметров. В таких рядах параметры представляются в виде мощности, емкости, сопротивления, коэффициента усиления, количества определенных возможностей цифрового устройства и т.д.

Степень унификации оценивают коэффициентом унификации: Ky=Ny/N,

где Ny – количество унифицированных деталей; N – общее количество деталей.

Нормализация – метод внедрения в пределах предприятия, объединения или ведомства норм, рационально ограничивающих разнообразие типоразмеров конструкции, материалов, полуфабрикатов, обрабатывающего и измерительного инструмента и других норм общей применяемости.

Документом, регламентирующим обязательное применение какойлибо из норм, является нормаль. Нормали ограничивают также и общие ГОСТы.

Стандартизация – метод обеспечения единства качества параметров массовой промышленной продукции, снижения трудоемкости ее изготовления путем установления обязательных норм на параметры изделий или производственные процессы.

Документами, регламентирующими указанные нормы, являются

государственные стандарты (ГОСТ), которые обязательны к применению наравне с установленными государством законами.

Отраслевые стандарты (ОСТ) обязательны для отдельных отраслей промышленности.

Главными в стандартизации являются общетехнические нормы, в том числе Единая система конструкторской документации (ЕСКД).

ЕДИНАЯ СИСТЕМА КОНСТРУКТОРСКОЙ ДОКУМЕНТАЦИИ (ЕСКД)

В настоящее время в России действует Единая система конструкторской документации (ЕСКД) — система Государственных стандартов, которые устанавливают правила и положения по порядку разработки, оформления и обращения технической документации,